在電路設(shè)計過程中，應(yīng)用工程師經(jīng)常忽視印刷電路板（PCB）布局。遇到的一個常見問題是電路原理圖是正確的，但它無法工作或工作性能較差。本文介紹如何正確布局運算放大器電路板以確保其功能、性能和穩(wěn)健性。

最近，我和我的實**生正在設(shè)計同相配置的OPA191 運算放大器，增益為2V/V、10k 負(fù)載和+/-15V 電源電壓。圖1 顯示了該設(shè)計的示意圖。

圖1：同相配置中的OPA191 原理圖。

我要求實**生對設(shè)計的電路板進(jìn)行布局，并提供PCB 布局的一般指導(dǎo)（例如，使電路板上的走線路徑盡可能短，并將組件盡可能靠近放置，以減少電路板占用空間。諸如此類）。 Space），并讓他自己設(shè)計。設(shè)計過程有多難？它實際上只是一些電阻器和電容器，對嗎？圖2 顯示了他的第一次設(shè)計嘗試的布局。紅線是板頂層的路徑，藍(lán)線是底層的路徑。

圖2：第一次布局試驗方案

在看到他的第一次布局嘗試后，我意識到電路板布局并不像我想象的那么直觀。他們至少應(yīng)該給他更詳細(xì)的指示。他在設(shè)計過程中完全遵循了我的建議，縮短了布線路徑并將組件放置得更近。但實際上，為了降低電路板的寄生阻抗并優(yōu)化其性能，這種布局仍有很大的改進(jìn)空間。

接下來是布局改進(jìn)。我們所做的第一個改進(jìn)是將電阻器R1 和R2 移至OPA191 的反相引腳（引腳2）旁邊。這減少了反相引腳上的雜散電容。運放的反相引腳是高阻抗節(jié)點，因此具有高靈敏度。長布線路徑可以充當(dāng)電線，并且可以將高頻噪聲耦合到信號鏈中。逆變器引腳上的PCB 電容可能會導(dǎo)致穩(wěn)定性問題。因此，逆變器引腳接觸應(yīng)盡可能小。

將R1 和R2 移至引腳2 附近會將負(fù)載電阻器R3 旋轉(zhuǎn)180 度，并使去耦電容器C1 更靠近OPA191 的正電源引腳（引腳7）。將去耦電容器盡可能靠近電源引腳放置非常重要。去耦電容器和電源引腳之間的長走線路徑會增加電源引腳的電感，從而降低性能。

我們所做的另一個改進(jìn)是第二個去耦電容器C2。從VCC 到C2 的過孔連接不需要放置在電容器和電源引腳之間，但應(yīng)放置在電源電壓需要通過電容器并進(jìn)入器件電源引腳的位置。圖3 顯示了如何移動每個組件和過孔以改進(jìn)布局。

圖3：改進(jìn)布局中的組件位置

將部件移動到新位置后還可以進(jìn)行其他一些改進(jìn)。加寬走線路徑可根據(jù)走線路徑所連接的焊盤的尺寸來減小電感。它還填充了電路板頂部和底部的接地層，為返回電流創(chuàng)建了可靠的低阻抗路徑。圖4 顯示了最終布局。

圖4：最終布局

下次布局印刷電路板時，我們建議您遵循以下布局方法：

逆變器端子連接盡可能短。

將去耦電容盡可能靠近電源引腳放置。

如果使用多個去耦電容，請將最小的去耦電容靠近電源引腳放置。

避免在去耦電容器和電源引腳之間放置過孔。

布線路徑盡可能寬。

確保接線路徑不存在90度角。

至少提供一個堅實的接地層。

不要為了使用絲印層來標(biāo)記部件而犧牲良好的布局。

上面我們描述了儀表放大器（運放）PCB 布局的正確方法，并提供了一套良好的布局實踐供您參考。接下來，我們將討論布局儀表放大器(INA) 時的常見錯誤，并向您展示如何正確布局INA PCB。

INA 用于需要差分電壓放大的應(yīng)用，例如測量高側(cè)電流傳感應(yīng)用中分流電阻器兩端的電壓。圖5 顯示了典型單電源高側(cè)電流檢測電路的原理圖。

圖5：高側(cè)電流檢測電路圖

圖5 測量RSHUNT 兩端的差分電壓。 R1、R2、C1、C2和C3用于提供共模和差模濾波。 R3 和C4 為U1 INA 提供輸出濾波，U2 用于緩沖INA 參考引腳。 R4 和C5 用于構(gòu)成低通濾波器，以最大限度地減少運算放大器引入INA 參考引腳的噪聲。

雖然圖5 中的原理圖布局看起來很直觀，但PCB 布局很容易出錯，導(dǎo)致電路性能不佳。圖6 顯示了工作人員在檢查INA 布局時常犯的三個錯誤。

圖6：INA 的典型PCB 布局

從上圖中可以看出，第一個錯誤是如何測量電阻器兩端的差分電壓Rshunt。由于從Rshunt 到R2 的線路很短，我們看到它的電阻小于從Rshunt 到R1 的線路的電阻。這種線路阻抗差異會引入來自INA 的輸入偏置電流，從而在U1 的輸入側(cè)產(chǎn)生差分電壓。由于INA 的工作是放大差分電壓，因此輸入側(cè)的不平衡線路可能會導(dǎo)致錯誤。因此，請確保您的INA 輸入線平衡且盡可能短。

第二個錯誤涉及INA 增益設(shè)置電阻Rgain。從U1 引腳到Rgain 焊盤的走線比所需的長度長，從而引入了額外的電阻和電容。增益取決于INA 增益設(shè)置引腳（引腳1 和8）之間的電阻器，因此添加電阻器可能會給您帶來錯誤的目標(biāo)增益。 INA 的增益設(shè)置引腳連接到INA 內(nèi)的反饋部分，因此添加電容器可能會導(dǎo)致穩(wěn)定性問題。因此，增益設(shè)置電阻的連線應(yīng)盡可能短。

最后，您可能需要改進(jìn)緩沖電路參考引腳的位置。由于參考引腳緩沖電路遠(yuǎn)離參考引腳，因此它增加了連接到參考引腳的電阻，并且可能將噪聲或其他信號耦合到線路上。參考引腳上的附加電阻會降低大多數(shù)INA 提供的高共模抑制比(CMRR)。因此，參考引腳緩沖電路應(yīng)盡可能靠近INA 參考引腳放置。

圖7 顯示了修復(fù)這三類錯誤后的布局。

圖7：修復(fù)III 類錯誤后的PCB 布局

在圖7 中，您可以看到R1 和R2 到分流電阻器的走線長度相同，并使用開爾文連接。從增益設(shè)置電阻到INA 引腳的連線應(yīng)盡可能短，并且基準(zhǔn)緩沖電路應(yīng)盡可能靠近基準(zhǔn)引腳放置。

為未來的INA 布局PCB 時，請務(wù)必遵循以下準(zhǔn)則：

確保輸入側(cè)的所有線路完美平衡。

縮短線路長度并最小化增益設(shè)置引腳上的電容。

將基準(zhǔn)緩沖電路放置在盡可能靠近INA 基準(zhǔn)引腳的位置。

將去耦電容盡可能靠近電源引腳放置。

覆蓋至少一層堅固的基層。

不要為了在組件上使用絲網(wǎng)印刷而犧牲良好的布局。

請遵循本文第一部分中提到的準(zhǔn)則。

（本文摘自Timothy Claycomb 的21IC 博客文章）

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